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KR102470714B1 - 스퍼터링 타깃, 산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 전자 기기 - Google Patents

스퍼터링 타깃, 산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 전자 기기 Download PDF

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KR102470714B1
KR102470714B1 KR1020207004360A KR20207004360A KR102470714B1 KR 102470714 B1 KR102470714 B1 KR 102470714B1 KR 1020207004360 A KR1020207004360 A KR 1020207004360A KR 20207004360 A KR20207004360 A KR 20207004360A KR 102470714 B1 KR102470714 B1 KR 102470714B1
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KR
South Korea
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thin film
oxide sintered
oxide
less
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마사시 오야마
마미 이토세
Original Assignee
이데미쓰 고산 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소, 및 산소를 함유하고, 각 원소의 원자비가 하기 식 (1) 을 만족하고, 추가로 Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물을 포함하는, 산화물 소결체를 구비하는, 스퍼터링 타깃. 0.001 ≤ X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) ≤ 0.05 ··· (1) (식 (1) 중, In, Zn, Sn 및 X 는, 각각 산화물 소결체 중의 인듐 원소, 아연 원소, 주석 원소 및 X 원소의 함유량을 나타낸다. X 원소는, Ge, Si, Y, Zr, Al, Mg, Yb, 및 Ga 로부터 적어도 1 종 이상이 선택된다.)

Description

스퍼터링 타깃, 산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 전자 기기
본 발명은, 스퍼터링 타깃, 산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 전자 기기에 관한 것이다.
종래, 박막 트랜지스터 (이하, 「TFT」라고 한다.) 로 구동하는 방식의 액정 디스플레이 또는 유기 EL 디스플레이 등의 표시 장치에서는, TFT 의 채널층에 비정질 실리콘막 또는 결정질 실리콘막을 채용한 것이 주류였다.
한편으로, 최근에는, 디스플레이의 고정밀화의 요구에 수반하여, TFT 의 채널층에 사용되는 재료로서 산화물 반도체가 주목받고 있다.
산화물 반도체 중에서도 특히, 특허문헌 1 에 개시된 인듐, 갈륨, 아연, 및 산소로 이루어지는 아모르퍼스 산화물 반도체 (In-Ga-Zn-O, 이하 「IGZO」라고 약기한다.) 는, 높은 캐리어 이동도를 갖기 때문에, 바람직하게 사용되고 있다. 그러나, IGZO 는, 원료로서 In 및 Ga 를 사용하기 때문에 원료 비용이 높다고 하는 결점이 있다.
원료 비용을 저렴하게 하는 관점에서, Zn-Sn-O (이하 「ZTO」라고 약기한다) (특허문헌 2) 또는, IGZO 의 Ga 대신에 Sn 을 첨가한 In-Sn-Zn-O (이하 「ITZO」라고 약기한다) (특허문헌 3) 가 제안되어 있다. 그 중에서도 ITZO 는, IGZO 에 비하여 이동도도 매우 높은 점에서 IGZO 의 뒤를 잇는 재료로서 주목을 받고 있다.
그러나, ITZO 는, 산화물 반도체에 사용하는 재료 중에서도 열 팽창 계수가 크고, 열 전도율이 낮다. 그 때문에, ITZO 로 이루어지는 스퍼터링 타깃은, Cu 또는 Ti 제의 배킹 플레이트에 대한 본딩시 및, 스퍼터링시에 열 응력에 의해 크랙을 발생하기 쉬웠다.
그래서 특허문헌 3 에서는, 산화물 소결체 중에 In2O3(ZnO)m 으로 나타내는 육방정 층상 화합물과 Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물을 포함하며, 또한 In2O3(ZnO)m 으로 나타내는 육방정 층상 화합물의 애스펙트비를 3 이상으로 함으로써, 산화물 소결체의 강도를 향상시킨다는 제안이 이루어져 있다.
한편, 특허문헌 4 에는, 육방정 층상 화합물과 스피넬 구조 화합물 외에, 발명의 효과를 저해하지 않는 한, 알루미늄을 포함할 수 있는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 5 에는, 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn) 및 알루미늄 원소 (Al) 를 함유하는 산화물로 이루어지고, In2O3(ZnO)n (n 은 2 ∼ 20 이다) 으로 나타내는 호몰로거스 구조 화합물 및 Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물을 포함하는 스퍼터링 타깃이 기재되어 있다.
국제 공개 제2012/067036호 일본 공개특허공보 2017-36497호 국제 공개 제2013/179676호 국제 공개 제2007/037191호 일본 공개특허공보 2014-98204호
그러나, 특허문헌 3 ∼ 5 의 ITZO 스퍼터링 타깃에는 이하의 문제가 있었다.
특허문헌 3 에 기재된 스퍼터링 타깃은 In2O3(ZnO)m 으로 나타내는 육방정 층상 화합물의 애스펙트비를 3 이상으로 하기 위해, 원료 분말을 혼합 분쇄할 때에 적산 동력을 200 Wh 이상으로 할 필요가 있다. 또, 양산 등, 원료 분말량이 많아지면, 혼합 분쇄시에 원료 분말 전체에 균일하게 동력이 전달되지 않아, 애스펙트비가 3 이상인 육방정 층상 화합물이 소결체 중에 균일하게 석출되지 않고, 스퍼터링 타깃의 강도에 불균일이 생긴다고 하는 결점이 있었다.
특허문헌 4, 5 는, 고밀도 또한 저저항의 타깃의 제공을 목적으로 하고 있고, 스퍼터링 타깃의 강도에 대해서는 시사하지 않는다. 그 때문에, 특허문헌 4 및 5 에 기재된 스퍼터링 타깃은, 스퍼터링시에 크랙의 발생을 억제할 수 있는 구조는 아니었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 배킹 플레이트에 대한 본딩시 및 스퍼터링시에 크랙의 발생을 억제할 수 있는 고강도의 스퍼터링 타깃을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 이하의 스퍼터링 타깃, 산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 전자 기기가 제공된다.
[1]. 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소, 및 산소를 함유하고, 각 원소의 원자비가 하기 식 (1) 을 만족하고, 추가로 Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물을 포함하는, 산화물 소결체를 구비하는, 스퍼터링 타깃.
0.001 ≤ X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) ≤ 0.05 ··· (1)
(식 (1) 중, In, Zn, Sn 및 X 는, 각각 산화물 소결체 중의 인듐 원소, 아연 원소, 주석 원소 및 X 원소의 함유량을 나타낸다. X 원소는, Ge, Si, Y, Zr, Al, Mg, Yb, 및 Ga 로부터 적어도 1 종 이상이 선택된다.)
[2]. 상기 산화물 소결체는, 식 (1) 로 나타내는 원자비가 0.003 이상, 0.03 이하인, [1] 에 기재된 스퍼터링 타깃.
[3]. 추가로, 상기 산화물 소결체가, 하기 식 (2) 를 만족하는, [1] 또는 [2] 에 기재된 스퍼터링 타깃.
0.40 ≤ Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.80 ··· (2)
[4]. 추가로, 상기 산화물 소결체가, 하기 식 (3) 을 만족하는, [1] ∼ [3] 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타깃.
0.15 ≤ Sn/(Sn ＋ Zn) ≤ 0.40 ··· (3)
[5]. 추가로, 상기 산화물 소결체가, 하기 식 (4) 를 만족하는, [1] ∼ [4] 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타깃.
0.10 ≤ In/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.35 ··· (4)
[6]. 상기 산화물 소결체는, In2O3(ZnO)m (m 은 2 ∼ 7 이다) 으로 나타내는 육방정 층상 화합물을 포함하는, [1] ∼ [5] 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타깃.
[7]. 상기 산화물 소결체는, 평균 항절력이 150 ㎫ 이상인, [1] ∼ [6] 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타깃.
[8]. 상기 산화물 소결체는, 평균 항절력의 와이블 계수가 7 이상인, [1] ∼ [7] 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타깃.
[9]. 상기 산화물 소결체는, 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하이고, 육방정 층상 화합물의 평균 결정 입경과, 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하인, [1] ∼ [8] 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타깃.
[10]. 상기 산화물 소결체는, 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하이고, 빅스바이트 구조 화합물의 평균 결정 입경과, 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하인, [1] ∼ [8] 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타깃.
[11]. 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소, 및 산소를 함유하고, 각 원소의 원자비가 하기 식 (1A) 를 만족하는, 산화물 반도체 박막.
0.001 ≤ X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) ≤ 0.05 ··· (1A)
(식 (1A) 중, In, Zn, Sn 및 X 는, 각각 산화물 반도체 박막 중의 인듐 원소, 아연 원소, 주석 원소 및 X 원소의 함유량을 나타낸다. X 원소는, Ge, Si, Y, Zr, Al, Mg, Yb, 및 Ga 로부터 적어도 1 종 이상이 선택된다.)
[12]. [11] 에 기재된 산화물 반도체 박막을 사용한 박막 트랜지스터.
[13]. [12] 에 기재된 박막 트랜지스터를 사용한 전자 기기.
본 발명에 의하면, 배킹 플레이트에 대한 본딩시 및, 스퍼터링시에 크랙의 발생을 억제할 수 있는 고강도의 스퍼터링 타깃을 제공할 수 있다.
도 1A 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 타깃의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 1B 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 타깃의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 1C 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 타깃의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 1D 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 타깃의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 나타내는 종단면도이다.
도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 나타내는 종단면도이다.
도 4 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 양자 터널 전계 효과 트랜지스터를 나타내는 종단면도이다.
도 5 는, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터의 다른 실시형태를 나타내는 종단면도이다.
도 6 은, 도 5 에 있어서, p 형 반도체층과 n 형 반도체층 사이에 산화실리콘층이 형성된 부분의 TEM (투과형 전자 현미경) 사진이다.
도 7A 는, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터의 제조 순서를 설명하기 위한 종단면도이다.
도 7B 는, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터의 제조 순서를 설명하기 위한 종단면도이다.
도 7C 는, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터의 제조 순서를 설명하기 위한 종단면도이다.
도 7D 는, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터의 제조 순서를 설명하기 위한 종단면도이다.
도 7E 는, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터의 제조 순서를 설명하기 위한 종단면도이다.
도 8A 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 사용한 표시 장치를 나타내는 상면도이다.
도 8B 는, VA 형 액정 표시 장치의 화소에 적용할 수 있는 화소부의 회로를 나타내는 도면이다.
도 8C 는, 유기 EL 소자를 사용한 표시 장치의 화소부의 회로를 나타내는 도면이다.
도 9 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 사용한 고체 촬상 소자의 화소부의 회로를 나타내는 도면이다.
도 10 은, 실시예에 있어서, In : Sn : Zn ＝ 30 : 15 : 55 의 경우의 산화물 소결체의 X 원소 함유량과 평균 항절력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 실시예에 있어서, In : Sn : Zn ＝ 30 : 15 : 55 의 경우의 산화물 소결체의 X 원소 함유량과 상대 밀도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12 는, 실시예에 있어서, In : Sn : Zn ＝ 30 : 15 : 55 의 경우의 산화물 소결체의 X 원소 함유량과 벌크 저항의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13 은, 실시예에 있어서, In : Sn : Zn ＝ 30 : 15 : 55 의 경우의 산화물 소결체의 X 원소 함유량과 와이블 계수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14 는, 실시예에 있어서, In : Sn : Zn ＝ 30 : 15 : 55 의 경우의 산화물 소결체의 X 원소 함유량과 평균 결정 입경의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15 는, 실시예에 있어서, 산화물 소결체에 X 원소로서 GeO2, SiO2, Y2O3, ZrO2, Al2O3, MgO, 또는 Yb2O 를 0.1 원자％ 함유시킨 경우, 및 X 원소를 함유시키지 않은 경우의 평균 항절력을 나타내는 도면이다.
이하, 실시형태에 대하여 도면 등을 참조하면서 설명한다. 단, 실시형태는 많은 상이한 양태로 실시하는 것이 가능하고, 취지 및 그 범위로부터 일탈하지 않고 그 형태 및 상세를 여러 가지로 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해된다. 따라서, 본 발명은, 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되지 않는다.
또, 도면에 있어서, 크기, 층의 두께, 또는 영역은, 명료화를 위해 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서, 반드시 그 스케일에 한정되지 않는다. 또한 도면은, 이상적인 예를 모식적으로 나타낸 것이고, 도면에 나타내는 형상 또는 값 등에 한정되지 않는다.
또, 본 명세서에서 사용하는 「제 1」, 「제 2」, 「제 3」이라는 서수사는, 구성 요소의 혼동을 피하기 위해 부여한 것이고, 수적으로 한정하는 것은 아님을 부기한다.
또, 본 명세서 등에 있어서, 「전기적으로 접속」에는, 「어떠한 전기적 작용을 갖는 것」을 개재하여 접속되어 있는 경우가 포함된다. 여기서, 「어떠한 전기적 작용을 갖는 것」은, 접속 대상 사이에서의 전기 신호의 수수를 가능하게 하는 것이면, 특별히 제한을 받지 않는다. 예를 들어, 「어떠한 전기적 작용을 갖는 것」에는, 전극, 배선, 스위칭 소자 (트랜지스터 등), 저항 소자, 인덕터, 캐패시터, 및 그 밖의 각종 기능을 갖는 소자 등이 포함된다.
또, 본 명세서 등에 있어서, 「막」 또는 「박막」이라는 용어와, 「층」이라는 용어는, 경우에 따라서는, 서로 바꿔 사용하는 것이 가능하다.
또, 본 명세서 등에 있어서, 트랜지스터가 갖는 소스나 드레인의 기능은, 상이한 극성의 트랜지스터를 채용하는 경우 또는 회로 동작에 있어서 전류의 방향이 변화하는 경우 등에는 서로 바꿔 사용되는 경우가 있다. 이 때문에, 본 명세서 등에 있어서는, 소스나 드레인의 용어는, 서로 바꿔 사용할 수 있다.
(스퍼터링 타깃)
본 발명의 일 실시형태에 관련된 스퍼터링 타깃 (이하, 간단히 본 실시형태에 관련된 스퍼터링 타깃이라고 하는 경우가 있다.) 은, 산화물 소결체를 포함한다.
본 실시형태에 관련된 스퍼터링 타깃은, 예를 들어, 산화물 소결체의 벌크를, 스퍼터링 타깃으로서 바람직한 형상으로 절삭, 및 연마하여 얻어진다. 또, 산화물 소결체의 벌크를 연삭 및 연마하여 얻은 스퍼터링 타깃 소재를, 배킹 플레이트에 본딩함으로써도, 스퍼터링 타깃을 얻을 수 있다. 또, 다른 양태에 관련된 본 실시형태의 스퍼터링 타깃으로는, 산화물 소결체만으로 이루어지는 타깃도 들 수 있다.
산화물 소결체의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 도 1A 의 부호 1 에 나타내는 바와 같은 판상이어도 되고, 도 1B 의 부호 1A 에 나타내는 바와 같은 원통상이어도 된다. 판상의 경우, 평면 형상은, 도 1A 의 부호 1 에 나타내는 바와 같은 사각형이어도 되고, 도 1C 의 부호 1B 에 나타내는 바와 같이 원형이어도 된다. 산화물 소결체는, 일체 성형이어도 되고, 도 1D 에 나타내는 바와 같이, 복수로 분할한 산화물 소결체 (부호 1C) 를 배킹 플레이트 (3) 에 각각 고정시킨 다분할식이어도 된다.
배킹 플레이트 (3) 는, 산화물 소결체의 유지 및 냉각용의 부재이다. 배킹 플레이트 (3) 의 재료는 특별히 한정되지 않지만, Cu, Ti, 또는 SUS 등의 재료가 사용된다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소, 및 산소를 함유한다. 상기 산화물 소결체는, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서, 상기 서술한 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소 이외의 다른 금속 원소를 함유하고 있어도 되고, 실질적으로 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소만, 또는 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소만으로 이루어져 있어도 된다.
여기서, 「실질적」이란, 산화물 소결체의 금속 원소의 95 질량％ 이상 100 질량％ 이하 (바람직하게는 98 질량％ 이상 100 질량％ 이하) 가 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), 및 X 원소인 것을 의미한다. 본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 In, Sn, Zn 및 Al 외에 불가피 불순물을 포함하고 있어도 된다. 여기서 말하는 불가피 불순물이란, 의도적으로 첨가하지 않는 원소로서, 원료 또는 제조 공정에서 혼입하는 원소를 의미한다.
X 원소는, 게르마늄 원소 (Ge), 실리콘 원소 (Si), 이트륨 원소 (Y), 지르코늄 원소 (Zr), 알루미늄 원소 (Al), 마그네슘 원소 (Mg), 이테르븀 원소 (Yb), 및 갈륨 원소 (Ga) 로부터 적어도 1 종 이상 선택된다.
불가피 불순물의 예로는, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 (Li, Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba 등등), 수소 (H) 원소, 붕소 (B) 원소, 탄소 (C) 원소, 질소 (N) 원소, 불소 (F) 원소, 및 염소 (Cl) 원소이다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, 각 원소의 원자비가 하기 식 (1) 을 만족한다.
0.001 ≤ X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) ≤ 0.05 ··· (1)
(식 (1) 중, In, Zn, Sn 및 X 는, 각각 산화물 소결체 중의 인듐 원소, 아연 원소, 주석 원소 및 X 원소의 함유량을 나타낸다. X 원소는, Ge, Si, Y, Zr, Al, Mg, Yb 및 Ga 로부터 적어도 1 종 이상 선택된다.)
본 실시형태에서는, 산화물 소결체에 있어서의 X 원소의 함유 비율을 상기 식 (1) 의 범위 내로 함으로써, 산화물 소결체의 평균 항절력을 충분히 높게 할 수 있다.
X 원소로는, 바람직하게는, 실리콘 원소 (Si), 알루미늄 원소 (Al), 마그네슘 원소 (Mg), 이테르븀 원소 (Yb), 및 갈륨 원소 (Ga) 이고, 보다 바람직하게는, 실리콘 원소 (Si), 알루미늄 원소 (Al), 및 갈륨 원소 (Ga) 이다. 특히 알루미늄 원소 (Al) 및 갈륨 원소 (Ga) 는, 원료로서의 산화물의 조성이 안정적이고, 평균 항절력의 향상 효과가 높기 때문에, 바람직하다.
X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) 가 0.001 이상임으로써, 스퍼터링 타깃의 강도 저하를 억제할 수 있다. X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) 가 0.05 이하임으로써, 그 산화물 소결체를 포함하는 스퍼터링 타깃을 사용하여 성막된 산화물 반도체 박막은, 옥살산 등의 약산에 의한 에칭 가공을 실시하는 것이 용이해진다. 나아가서는, TFT 특성, 특히 이동도의 저하를 억제할 수 있다. X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) 는, 바람직하게는 0.001 이상, 0.05 이하이고, 보다 바람직하게는 0.003 이상, 0.03 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.005 이상, 0.01 이하이고, 특히 바람직하게는 0.005 이상, 0.01 미만이다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, X 원소를 1 종만 함유해도 되고, 2 종 이상을 함유해도 된다. X 원소를 2 종 이상 함유할 때는, 식 (1) 에 있어서의 X 는, X 원소의 원자비의 합계로 한다.
산화물 소결체 중의 X 원소의 존재 형태는, 특별히 규정되지 않는다. 산화물 소결체 중의 X 원소의 존재 형태로는, 예를 들어, 산화물로서 존재하고 있는 형태, 고용되어 있는 형태, 및 입계에 편석되어 있는 형태를 들 수 있다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체에 있어서, X 원소의 함유 비율을 상기 식 (1) 의 범위 내로 함으로써, 스퍼터링 타깃의 벌크 저항을 충분히 낮게 할 수도 있다. 본 발명의 스퍼터링 타깃의 벌크 저항은, 바람직하게는 50 mΩ㎝ 이하이고, 보다 바람직하게는 25 mΩ㎝ 이하이고, 더욱 바람직하게는 10 mΩ㎝ 이하이고, 더욱더 바람직하게는 5 mΩ㎝ 이하이고, 특히 바람직하게는 3 mΩ㎝ 이하이다. 벌크 저항이 50 mΩ㎝ 이하임으로써, 직류 스퍼터로 안정적인 성막을 실시할 수 있다.
벌크 저항치는, 공지된 저항률계를 사용하여 4 탐침법 (JIS R 1637 : 1998) 에 기초하여 측정할 수 있다. 측정 지점은 9 개 지점 정도이고, 평균치를 벌크 저항치로 하는 것이 바람직하다.
측정 지점은, 산화물 소결체의 평면 형상이 사각형인 경우에는, 면을 등면적으로 9 분할하고, 각각의 사각형의 중심점 9 개 지점으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 산화물 소결체의 평면 형상이 원형인 경우에는, 원에 내접하는 정방형을 등면적으로 9 분할하고, 각각의 정방형의 중심점 9 개 지점으로 하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, 각 원소의 원자비가 이하의 식 (2) ∼ (4) 의 적어도 하나를 만족하는 것이, 보다 바람직하다.
0.40 ≤ Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.80 ··· (2)
0.15 ≤ Sn/(Sn ＋ Zn) ≤ 0.40 ··· (3)
0.10 ≤ In/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.35 ··· (4)
식 (2) ∼ (4) 중, In, Zn, 및 Sn 은, 각각 산화물 소결체 중의 인듐 원소, 아연 원소, 및 주석 원소의 함유량을 나타낸다.
Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.4 이상이면, 산화물 소결체 중에 스피넬상이 발생하기 쉬워지고, 반도체로서의 특성이 용이하게 얻어진다. Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.80 이하임으로써, 산화물 소결체에 있어서 스피넬상의 이상 입 성장 (異常粒成長) 에 의한 강도의 저하를 억제할 수 있다. 또, Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.80 이하임으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도의 저하를 억제할 수 있다. Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 은, 0.50 이상 0.70 이하인 것이 보다 바람직하다.
Sn/(Sn ＋ Zn) 이 0.15 이상이면, 산화물 소결체에 있어서 스피넬상의 이상 입 성장에 의한 강도의 저하를 억제할 수 있다. Sn/(Sn ＋ Zn) 이 0.40 이하임으로써, 산화물 소결체 중에 있어서, 스퍼터시의 이상 방전의 원인이 되는 산화주석의 응집을 억제할 수 있다. 또, Sn/(Sn ＋ Zn) 이 0.40 이하임으로써, 스퍼터링 타깃을 사용하여 성막된 산화물 반도체 박막은, 옥살산 등의 약산에 의한 에칭 가공을 용이하게 실시할 수 있다. Sn/(Sn ＋ Zn) 이 0.15 이상임으로써, 에칭 속도가 지나치게 빨라지는 것을 억제할 수 있고 에칭의 제어가 용이해진다. Sn/(Sn ＋ Zn) 은, 0.15 이상 0.35 이하인 것이 보다 바람직하다.
In/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.1 이상임으로써, 얻어지는 스퍼터링 타깃의 벌크 저항을 낮게 할 수 있다. 또, In/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.1 이상임으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도가 극단적으로 낮아지는 것을 억제할 수 있다. In/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.35 이하임으로써, 스퍼터링 성막했을 때에, 막이 도전체가 되는 것을 억제할 수 있고, 반도체로서의 특성을 얻는 것이 용이해진다. In/(In ＋ Sn ＋ Zn) 은, 0.10 이상 0.30 이하인 것이 보다 바람직하다.
산화물 소결체의 각 금속 원소의 원자비는, 원료의 배합량에 의해 제어할 수 있다. 또, 각 원소의 원자비는, 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석 장치 (ICP-AES) 에 의해 함유 원소를 정량 분석하여 구할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물을 함유하는 것이 바람직하고, Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물, 및 In2O3(ZnO)m [식 중, m 은 2 ∼ 7 의 정수이다.] 으로 나타내는 육방정 층상 화합물을 함유하는 것이 더욱 바람직하다. 식 중의 m 은, 2 ∼ 7, 바람직하게는 3 ∼ 5 의 정수이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 스피넬 구조 화합물을 스피넬 화합물이라고 하는 경우가 있다.
또한, m 이 2 이상임으로써, 화합물이 육방정 층상 구조를 취한다. m 이 7 이하임으로써, 산화물 소결체의 벌크 저항이 낮아진다.
산화인듐과 산화아연으로 이루어지는 육방정 층상 화합물은, X 선 회절법에 의한 측정에 있어서, 육방정 층상 화합물에 귀속되는 X 선 회절 패턴을 나타내는 화합물이다. 산화물 소결체에 함유되는 육방정 층상 화합물은, In2O3(ZnO)m 으로 나타내는 화합물이다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물, 및 In2O3 으로 나타내는 빅스바이트 구조 화합물을 함유해도 된다.
·(평균 결정 입경)
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체의 평균 결정 입경은, 이상 방전의 방지 및 제조 용이성의 관점에서, 바람직하게는 10 ㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 8 ㎛ 이하이다. 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하임으로써, 입계에서 기인하는 이상 방전을 방지할 수 있다. 산화물 소결체의 평균 결정 입경의 하한은, 특별히 규정되지 않지만, 제조 용이성의 관점에서 1 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.
평균 결정 입경은, 원료의 선택 및 제조 조건의 변경에 의해 조정할 수 있다. 구체적으로는, 평균 입경이 작은 원료, 바람직하게는 평균 입경이 1 ㎛ 이하인 원료를 사용한다. 또한, 소결시, 소결 온도가 높을수록, 또는 소결 시간이 길수록, 평균 결정 입경이 커지는 경향이 있다.
평균 결정 입경은 이하와 같이 하여 측정할 수 있다.
산화물 소결체의 표면을 연마하고, 평면 형상이 사각형인 경우에는, 면을 등면적으로 16 분할하고, 각각의 사각형의 중심점 16 개 지점에 있어서, 배율 1000 배 (80 ㎛ × 125 ㎛) 의 틀 내에서 관찰되는 입자경을 측정하고, 16 개 지점의 틀 내의 입자의 입경의 평균치를 각각 구하고, 마지막으로 16 개 지점의 측정치의 평균치를 평균 결정 입경으로 한다.
산화물 소결체의 표면을 연마하고, 평면 형상이 원형인 경우, 원에 내접하는 정방형을 등면적으로 16 분할하고, 각각의 정방형의 중심점 16 개 지점에 있어서, 배율 1000 배 (80 ㎛ × 125 ㎛) 의 틀 내에서 관찰되는 입자의 입경을 측정하고, 16 개 지점의 틀 내의 입자의 입경의 평균치를 구한다.
입경은, 애스펙트비가 2 미만인 입자에 대해서는, JIS R 1670 : 2006 에 기초하여, 결정립의 입경을 원상당경으로서 측정한다. 원상당경의 측정 순서로는, 구체적으로는, 미구조 사진의 측정 대상 그레인에 원 정규 (圓定規) 를 대고 대상 그레인의 면적에 상당하는 직경을 판독한다. 애스펙트비가 2 이상인 입자에 대해서는, 최장 직경과 최단 직경의 평균치를 그 입자의 입경으로 한다. 결정립은 주사형 전자 현미경 (SEM) 에 의해 관찰할 수 있다. 육방정 층상 화합물, 스피넬 화합물, 및 빅스바이트 구조 화합물은, 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 확인할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체가, 육방정 층상 화합물과 스피넬 화합물을 포함하는 경우, 육방정 층상 화합물의 평균 결정 입경과, 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차는, 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 결정 입경을 이와 같은 범위로 함으로써, 산화물 소결체의 강도를 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체의 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하이고, 육방정 층상 화합물의 평균 결정 입경과 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.
또, 본 실시형태에 관련된 산화물 소결체가, 빅스바이트 구조 화합물과 스피넬 화합물을 포함하는 경우, 빅스바이트 구조 화합물의 평균 결정 입경과, 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차는, 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 결정 입경을 이와 같은 범위로 함으로써, 산화물 소결체의 강도를 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체의 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하이고, 빅스바이트 구조 화합물의 평균 결정 입경과 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체의 상대 밀도는, 바람직하게는 95 ％ 이상, 보다 바람직하게는 96 ％ 이상이다. 산화물 소결체의 상대 밀도가 95 ％ 이상임으로써, 스퍼터링 타깃의 기계적 강도가 높으며, 또한 도전성이 우수한 점에서, 이 스퍼터링 타깃을 RF 마그네트론 스퍼터링 장치 또는 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 장착하여 스퍼터링을 실시할 때의, 플라즈마 방전의 안정성을 보다 높일 수 있다. 산화물 소결체의 상대 밀도는, 산화인듐, 산화아연, 산화주석 및 X 원소의 산화물 각각의 고유의 밀도, 및 이들의 조성비로부터 산출되는, 이론 밀도에 대한 산화물 소결체의 실제로 측정한 밀도를, 백분율로 나타낸 것이다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체의 평균 항절력이 150 ㎫ 이상임으로써, 배킹 플레이트에 대한 본딩시 및 스퍼터링시와 같은, 고온의 부하에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있다. 본 명세서에 있어서, 평균 항절력은, JIS R 1601 : 2008 에 기초하여, 30 ㎜ 의 간격으로 설치된 2 개의 지지대에 각기둥의 시험편을 올리고, 중앙부에 누름쇠를 댄 상태에서, 누름쇠에 하중을 가하여, 시험편이 파단했을 때의 하중 (3 점 굽힘 강도) 의 시험편 30 개의 평균치이다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체의 평균 항절력은, 바람직하게는 180 ㎫ 이상이고, 보다 바람직하게는 210 ㎫ 이상이고, 더욱 바람직하게는 230 ㎫ 이상이고, 특히 바람직하게는 250 ㎫ 이상이다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체의 평균 항절력의 와이블 계수는, 7 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 이상이고, 더욱 바람직하게는 15 이상이다. 산화물 소결체의 평균 항절력의 와이블 계수가 7 이상인 것이 바람직한 것은, 와이블 계수가 커질수록 강도의 편차가 작아지기 때문이다. 와이블 계수는, JIS R 1625 : 2010 에 규정된 와이블 통계 해석법에 의해, 와이블 확률축 상에 항절력을 플롯 (이하 「와이블 플롯」이라고 한다) 하고, 와이블 플롯의 기울기로부터 구한다.
본 실시형태에 관련된 산화물 소결체는, 인듐 원료, 아연 원료, 주석 원료 및 X 원소 원료를 혼합하는 혼합 공정, 원료 혼합물을 성형하는 성형 공정, 성형물을 소결하는 소결 공정, 및 필요에 따라 소결체를 어닐링하는 어닐링 공정을 거쳐 제조할 수 있다. 이하, 각 공정에 대하여 구체적으로 설명한다.
(1) 혼합 공정
혼합 공정에서는, 먼저 원료를 준비한다.
In 원료는, In 을 포함하는 화합물 또는 금속이면 특별히 한정되지 않는다.
Zn 원료도, Zn 을 포함하는 화합물 또는 금속이면 특별히 한정되지 않는다.
Sn 원료도, Zn 을 포함하는 화합물 또는 금속이면 특별히 한정되지 않는다.
X 원소의 원료도, X 원소를 포함하는 화합물 또는 금속이면, 특별히 한정되지 않는다.
In 원료, Zn 원료, Sn 원료, 및 X 원소의 원료는, 바람직하게는 산화물이다.
산화인듐, 산화아연, 산화주석, 및 X 원소 산화물 등의 원료는, 고순도의 원료를 사용하는 것이 바람직하고, 그 순도가 99 질량％ 이상, 바람직하게는 99.9 질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 99.99 질량％ 이상의 원료가 바람직하게 사용된다. 고순도의 원료를 사용하면 치밀한 조직의 소결체가 얻어지고, 그 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타깃의 체적 저항률이 낮아지기 때문이다.
또, 원료로서의 금속 산화물의 1 차 입자의 평균 입경은, 바람직하게는 0.01 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.05 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하이다. 평균 입경이 0.01 ㎛ 이상이면 응집하기 어려워지고, 평균 입경이 10 ㎛ 이하이면 혼합성이 충분해지고, 치밀한 조직의 소결체가 얻어진다. 평균 입경은, BET 법에 의해 측정한다.
원료에는, 폴리비닐알코올, 또는 아세트산비닐 등의 바인더를 첨가할 수 있다.
원료의 혼합은, 볼 밀, 제트 밀, 및 비드 밀 등의 통상적인 혼합기를 사용하여 실시할 수 있다.
혼합 공정에서 얻어진 혼합물은, 즉시 성형해도 되지만, 성형 전에 가소 (假燒) 처리를 실시해도 된다. 가소 처리는, 통상, 700 ℃ 이상 900 ℃ 이하에서, 1 시간 이상 5 시간 이하, 혼합물을 소성한다.
가소 처리를 하지 않는 원료 분말의 혼합물, 또는 가소 처리가 완료된 혼합물은, 조립 (造粒) 처리함으로써, 그 후의 성형 공정에서의 유동성 및 충전성이 개선된다. 조립 처리는 스프레이 드라이어 등을 사용하여 실시할 수 있다. 조립 처리에 의해 형성되는 2 차 입자의 평균 입경은, 바람직하게는 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하이다. 또한, 가소 처리가 완료된 혼합물은 입자끼리가 결합하고 있기 때문에, 조립 처리를 실시하는 경우에는, 처리 전에 분쇄 처리를 실시한다.
(2) 성형 공정
원료의 분말 또는 조립물은, 성형 공정에 있어서 금형 프레스 성형, 주입 (鑄入) 성형, 또는 사출 성형 등의 방법에 의해 성형한다. 스퍼터링 타깃으로서, 소결 밀도가 높은 소결체를 얻는 경우에는, 성형 공정에 있어서 금형 프레스 성형 등에 의해 예비 성형한 후에, 냉간 정수압 프레스 성형 등에 의해 추가로 압밀화하는 것이 바람직하다.
(3) 소결 공정
소결 공정에 있어서는, 상압 소결, 핫 프레스 소결, 또는 열간 정수압 프레스 소결 등의 통상 실시되고 있는 소결 방법을 사용할 수 있다. 소결 온도는, 바람직하게는 1200 ℃ 이상 1600 ℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 1250 ℃ 이상 1550 ℃ 이하이고, 더욱 바람직하게는 1300 ℃ 이상 1500 ℃ 이하이다. 소결 온도를 1200 ℃ 이상으로 함으로써, 충분한 소결 밀도가 얻어지고, 스퍼터링 타깃의 벌크 저항도 낮게 할 수 있다. 소결 온도를 1600 ℃ 이하로 함으로써, 소결시의 산화아연의 승화를 억제할 수 있다. 소결시의 승온 속도는, 실온으로부터 소결 온도까지를 0.1 ℃/분 이상 3 ℃/분 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 승온의 과정에 있어서, 700 ℃ 이상 800 ℃ 이하에서 일단 온도를 1 시간 이상 10 시간 이하 유지하고, 재차 소결 온도까지 승온해도 된다.
소결 시간은, 소결 온도에 따라 상이하지만, 바람직하게는 1 시간 이상 50 시간 이하, 보다 바람직하게는 2 시간 이상 30 시간 이하, 더욱 바람직하게는 3 시간 이상 20 시간 이하이다. 소결시의 분위기는, 공기 또는 산소 가스여도 되고, 이것들에, 수소 가스, 메탄 가스, 또는 일산화탄소 가스 등의 환원성 가스, 혹은, 아르곤 가스, 질소 가스 등의 불활성 가스를 포함하고 있어도 된다.
(4) 어닐링 공정
어닐링 공정은 필수는 아니지만, 실시하는 경우에는, 통상, 700 ℃ 이상 1100 ℃ 이하에서 1 시간 이상 5 시간 이하, 온도를 유지한다. 본 공정은, 일단 소결체를 냉각 후, 재차 승온하여 어닐링해도 되고, 소결 온도로부터 강온할 때에 어닐링해도 된다. 어닐링시의 분위기는, 공기 또는 산소 가스여도 되고, 이것들에, 수소 가스, 메탄 가스, 또는 일산화탄소 가스 등의 환원성 가스, 혹은, 아르곤 가스, 질소 가스 등의 불활성 가스를 포함하고 있어도 된다.
상기 (1) ∼ (4) 의 공정에서 얻어진 소결체를, 적당한 형상으로 절삭 가공하고, 필요에 따라 표면을 연마함으로써 스퍼터링 타깃이 완성된다.
구체적으로는, 소결체를 스퍼터링 장치에 대한 장착에 적절한 형상으로 절삭 가공함으로써, 스퍼터링 타깃 소재 (타깃 소재라고 하는 경우도 있다.) 로 하고, 그 타깃 소재를 배킹 플레이트에 접착함으로써, 스퍼터링 타깃이 얻어진다.
소결체를 타깃 소재로서 사용하는 경우에는, 소결체의 표면 조도 (Ra) 는, 0.5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 소결체의 표면 조도 (Ra) 를 조정하는 방법으로는, 예를 들어, 소결체를 평면 연삭반으로 연삭하는 방법을 들 수 있다.
스퍼터링 타깃 소재의 표면은 200 번 ∼ 1,000 번의 다이아몬드 지석에 의해 마무리를 실시하는 것이 바람직하고, 400 번 ∼ 800 번의 다이아몬드 지석에 의해 마무리를 실시하는 것이 특히 바람직하다. 200 번 이상, 또는 1,000 번 이하의 다이아몬드 지석을 사용함으로써, 스퍼터링 타깃 소재의 균열을 방지할 수 있다.
스퍼터링 타깃 소재의 표면 조도 (Ra) 가 0.5 ㎛ 이하이고, 방향성이 없는 연삭면을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 스퍼터링 타깃 소재의 표면 조도 (Ra) 가 0.5 ㎛ 이하이고, 방향성이 없는 연마면을 구비하고 있으면, 이상 방전 및 파티클의 발생을 방지할 수 있다.
마지막으로, 얻어진 스퍼터링 타깃 소재를 청정 처리한다. 청정 처리에는 에어 블로우 또는 유수 세정 등을 사용할 수 있다. 에어 블로우로 이물질을 제거할 때에는, 에어 블로우의 노즐의 맞은편으로부터 집진기로 흡기를 실시함으로써, 보다 유효하게 이물질을 제거할 수 있다.
또한, 이상의 에어 블로우 및 유수 세정으로는 청정 처리의 효과에 한계가 있기 때문에, 추가로 초음파 세정 등을 실시할 수도 있다. 초음파 세정은, 주파수 25 ㎑ 이상 300 ㎑ 이하의 사이에서 다중 발진시켜 실시하는 방법이 유효하다. 예를 들어 주파수 25 ㎑ 이상 300 ㎑ 이하의 사이에서, 25 ㎑ 마다 12 종류의 주파수를 다중 발진시켜 초음파 세정을 실시하는 것이 바람직하다.
스퍼터링 타깃 소재의 두께는, 통상 2 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하이고, 바람직하게는 3 ㎜ 이상 12 ㎜ 이하이고, 보다 바람직하게는 4 ㎜ 이상 9 ㎜ 이하이고, 특히 바람직하게는 4 ㎜ 이상 6 ㎜ 이하이다.
상기의 공정 및 처리를 거쳐 얻어진 스퍼터링 타깃 소재를, 배킹 플레이트에 본딩함으로써, 스퍼터링 타깃을 얻을 수 있다. 또, 복수의 스퍼터링 타깃 소재를 1 개의 배킹 플레이트에 부착하여, 실질적으로 1 개의 스퍼터링 타깃으로 해도 된다.
본 실시형태에 관련된 스퍼터링 타깃은, 상기의 제조 방법에 의해, 상대 밀도가 98 ％ 이상 또한 벌크 저항이 5 mΩ㎝ 이하로 할 수 있고, 스퍼터링할 때에는, 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다. 또, 본 실시형태에 관련된 스퍼터링 타깃은, 고품질의 산화물 반도체 박막을, 효율적으로, 저렴하게, 또한 에너지 절약으로 성막할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 스퍼터링 타깃이, In, Sn, Zn, X, 및 산소를 함유하고, 잔부가 불가피 불순물로 이루어지고, 각 원소의 원자비가 식 (1) 을 만족하는 산화물 소결체를 구비한다.
그 때문에, 스퍼터링 타깃은, 배킹 플레이트에 대한 본딩시 및 스퍼터링시에 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
(산화물 반도체 박막)
다음으로, 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막은, 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소, 및 산소를 함유하고, 각 원소의 원자비가 하기 식 (1A) 를 만족한다.
0.001 ≤ X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) ≤ 0.05 ··· (1A)
(식 (1A) 중, In, Zn, Sn 및 X 는, 각각 산화물 반도체 박막 중의 인듐 원소, 아연 원소, 주석 원소 및 X 원소의 함유량을 나타낸다. X 원소는, Ge, Si, Y, Zr, Al, Mg, Yb, 및 Ga 로부터 적어도 1 종 이상이 선택된다.)
본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막은, 본 실시형태에 관련된 스퍼터링 타깃을 사용하여, 스퍼터법에 의해 제조할 수 있다. 스퍼터법에 의해 얻어지는 산화물 반도체 박막의 원자비 조성은, 스퍼터링 타깃에 있어서의 산화물 소결체의 원자비 조성을 반영한다.
본 실시형태에 관련된 스퍼터링 타깃을 사용하여 성막하면, 타깃 강도가 향상되어 있기 때문에, 안정적으로 산화물 반도체 박막을 제조할 수 있고, 나아가서는, 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막이 상기 식 (1A) 를 만족함으로써, TFT 특성에 미치는 영향을 적게 할 수 있다. 구체적으로는, X 원소의 양이 증가함으로써 스퍼터링 타깃의 강도가 향상되지만, 지나치게 증가하면 TFT 특성의 저하를 초래할 우려가 있고, 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막에 있어서, 상기 식 (1A) 의 범위를 만족하도록 스퍼터링 타깃을 사용하여 산화물 반도체 박막을 성막함으로써, 타깃 강도의 향상과 TFT 특성의 저하의 억제라고 하는 효과를 균형있게 얻을 수 있다.
본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막의 X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) 가 0.05 이하임으로써, 산화물 반도체 박막은, 옥살산 등의 약산에 의한 에칭 가공을 실시하는 것이 용이해진다. 나아가서는, TFT 특성, 특히 이동도의 저하를 억제할 수 있다. 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막의 X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) 는, 바람직하게는 0.001 이상, 0.05 이하이고, 보다 바람직하게는 0.003 이상, 0.03 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.005 이상, 0.01 이하이고, 특히 바람직하게는 0.005 이상, 0.01 미만이다.
본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막은, 각 원소의 원자비가 이하의 식 (2A) ∼ (4A) 의 적어도 하나를 만족하는 것이, 보다 바람직하다.
0.40 ≤ Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.80 ··· (2A)
0.15 ≤ Sn/(Sn ＋ Zn) ≤ 0.40 ··· (3A)
0.10 ≤ In/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.35 ··· (4A)
Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.4 이상이면, 산화물 반도체 박막 중에 스피넬상이 발생하기 쉬워지고, 반도체로서의 특성이 용이하게 얻어진다. Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.80 이하임으로써, 산화물 반도체 박막에 있어서 스피넬상의 이상 입 성장에 의한 강도의 저하를 억제할 수 있다. 또, Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.80 이하임으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도의 저하를 억제할 수 있다. Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) 은, 0.50 이상 0.70 이하인 것이 보다 바람직하다.
Sn/(Sn ＋ Zn) 이 0.15 이상이면, 산화물 반도체 박막에 있어서 스피넬상의 이상 입 성장에 의한 강도의 저하를 억제할 수 있다. Sn/(Sn ＋ Zn) 이 0.40 이하임으로써, 스퍼터링 타깃을 사용하여 성막된 산화물 반도체 박막은, 옥살산 등의 약산에 의한 에칭 가공을 용이하게 실시할 수 있다. Sn/(Sn ＋ Zn) 이 0.15 이상임으로써, 에칭 속도가 지나치게 빨라지는 것을 억제할 수 있고 에칭의 제어가 용이해진다. Sn/(Sn ＋ Zn) 은, 0.15 이상 0.35 이하인 것이 보다 바람직하다.
In/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.1 이상임으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도가 극단적으로 낮아지는 것을 억제할 수 있다. In/(In ＋ Sn ＋ Zn) 이 0.35 이하임으로써, 스퍼터링 성막했을 때에, 막이 도전체가 되는 것을 억제할 수 있고, 반도체로서의 특성을 얻는 것이 용이해진다. In/(In ＋ Sn ＋ Zn) 은, 0.10 이상 0.30 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막은, 스퍼터링에 의해 성막되었을 때에 아모르퍼스 상태이고, 가열 처리 (어닐 처리) 후에도 아모르퍼스 상태의 박막인 것이 바람직하다.
(박막 트랜지스터)
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터로는, 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막을 포함하는 박막 트랜지스터를 들 수 있다.
박막 트랜지스터의 채널층으로서, 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터가, 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막을 채널층으로서 가지고 있는 경우, 박막 트랜지스터에 있어서의 다른 소자 구성은 특별히 한정되지 않고, 공지된 소자 구성을 채용할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 전자 기기에 바람직하게 사용할 수 있다.
구체적으로는, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 액정 디스플레이 및 유기 EL 디스플레이 등의 표시 장치에 바람직하게 사용할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터에 있어서의 채널층의 막두께는, 통상 10 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하이고, 바람직하게는 20 ㎚ 이상 250 ㎚ 이하이다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터에 있어서의 채널층은, 통상, N 형 영역으로 사용되지만, P 형 Si 계 반도체, P 형 산화물 반도체, P 형 유기 반도체 등의 여러 가지 P 형 반도체와 조합하여 PN 접합형 트랜지스터 등의 각종 반도체 디바이스에 이용할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 전계 효과형 트랜지스터, 논리 회로, 메모리 회로, 및 차동 증폭 회로 등 각종 집적 회로에도 적용할 수 있다. 또한, 전계 효과형 트랜지스터 이외에도 정전 야기형 트랜지스터, 쇼트키 장벽형 트랜지스터, 쇼트키 다이오드, 및 저항 소자에도 적응할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터의 구성은, 보텀 게이트, 보텀 컨택트, 및 톱 컨택트 등 공지된 구성으로부터 선택되는 구성을 제한없이 채용할 수 있다.
특히 보텀 게이트 구성이, 아모르퍼스 실리콘 또는 ZnO 의 박막 트랜지스터에 비하여 높은 성능이 얻어지기 때문에 유리하다. 보텀 게이트 구성은, 제조시의 마스크 장수를 삭감하기 쉽고, 대형 디스플레이 등의 용도의 제조 비용을 저감하기 쉽기 때문에 바람직하다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 표시 장치에 바람직하게 사용할 수 있다.
대면적의 디스플레이용의 박막 트랜지스터로는, 채널 에치형의 보텀 게이트 구성의 박막 트랜지스터가 특히 바람직하다. 채널 에치형의 보텀 게이트 구성의 박막 트랜지스터는, 포토리소 공정시의 포토마스크의 수가 적고 저비용으로 디스플레이용 패널을 제조할 수 있다. 그 중에서도, 채널 에치형의 보텀 게이트 구성 및 톱 컨택트 구성의 박막 트랜지스터가 이동도 등의 특성이 양호하고 공업화하기 쉽기 때문에 특히 바람직하다.
구체적인 박막 트랜지스터의 예를 도 2 및 도 3 에 나타낸다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 박막 트랜지스터 (100) 는, 실리콘 웨이퍼 (20), 게이트 절연막 (30), 산화물 반도체 박막 (40), 소스 전극 (50), 드레인 전극 (60), 및 층간 절연막 (70, 70A) 을 구비한다.
실리콘 웨이퍼 (20) 는 게이트 전극이다. 게이트 절연막 (30) 은 게이트 전극과 산화물 반도체 박막 (40) 의 도통을 차단하는 절연막이고, 실리콘 웨이퍼 (20) 상에 형성된다.
산화물 반도체 박막 (40) 은 채널층이고, 게이트 절연막 (30) 상에 형성된다. 산화물 반도체 박막 (40) 에는 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막이 사용된다.
소스 전극 (50) 및 드레인 전극 (60) 은, 소스 전류 및 드레인 전류를 산화물 반도체 박막 (40) 에 흘리기 위한 도전 단자이고, 산화물 반도체 박막 (40) 의 양단 근방에 접촉하도록, 각각 형성된다.
층간 절연막 (70) 은, 소스 전극 (50) 및 드레인 전극 (60) 과, 산화물 반도체 박막 (40) 사이의 접촉 부분 이외의 도통을 차단하는 절연막이다.
층간 절연막 (70A) 은, 소스 전극 (50) 및 드레인 전극 (60) 과, 산화물 반도체 박막 (40) 사이의 접촉 부분 이외의 도통을 차단하는 절연막이다. 층간 절연막 (70A) 은, 소스 전극 (50) 과 드레인 전극 (60) 사이의 도통을 차단하는 절연막이기도 하다. 층간 절연막 (70A) 은, 채널층 보호층이기도 하다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 박막 트랜지스터 (100A) 의 구조는, 박막 트랜지스터 (100) 와 마찬가지지만, 소스 전극 (50) 및 드레인 전극 (60) 을, 게이트 절연막 (30) 과 산화물 반도체 박막 (40) 의 양방에 접촉하도록 형성하고 있는 점이 상이하다. 게이트 절연막 (30), 산화물 반도체 박막 (40), 소스 전극 (50), 및 드레인 전극 (60) 을 덮도록, 층간 절연막 (70B) 이 일체로 형성되어 있는 점도 상이하다.
드레인 전극 (60), 소스 전극 (50) 및 게이트 전극을 형성하는 재료에 특별히 제한은 없고, 일반적으로 사용되고 있는 재료를 임의로 선택할 수 있다. 도 2 및 도 3 에서 든 예에서는, 실리콘 웨이퍼를 기판으로서 사용하고 있고, 실리콘 웨이퍼가 전극으로서도 작용하지만, 전극 재료는 실리콘에 한정되지 않는다.
예를 들어, 산화인듐주석 (ITO), 산화인듐아연 (IZO), ZnO, 및 SnO2 등의 투명 전극이나, Al, Ag, Cu, Cr, Ni, Mo, Au, Ti, 및 Ta 등의 금속 전극, 또는 이들을 포함하는 합금의 금속 전극이나 적층 전극을 사용할 수 있다.
또, 도 2 및 도 3 에 있어서, 유리 등의 기판 상에 게이트 전극을 형성해도 된다.
층간 절연막 (70, 70A, 70B) 을 형성하는 재료에도 특별히 제한은 없고, 일반적으로 사용되고 있는 재료를 임의로 선택할 수 있다. 층간 절연막 (70, 70A, 70B) 을 형성하는 재료로서 구체적으로는, 예를 들어, SiO2, SiNx, Al2O3, Ta2O5, TiO2, MgO, ZrO2, CeO2, K2O, Li2O, Na2O, Rb2O, Sc2O3, Y2O3, HfO2, CaHfO3, PbTiO3, BaTa2O6, SrTiO3, Sm2O3, 및 AlN 등의 화합물을 사용할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터가 백 채널 에치형 (보텀 게이트형) 인 경우, 드레인 전극, 소스 전극 및 채널층 상에 보호막을 형성하는 것이 바람직하다. 보호막을 형성함으로써, TFT 를 장시간 구동한 경우에도 내구성이 향상되기 쉬워진다. 또한, 톱 게이트형의 TFT 의 경우, 예를 들어 채널층 상에 게이트 절연막을 형성한 구조가 된다.
보호막 또는 절연막은, 예를 들어 CVD 에 의해 형성할 수 있지만, 그 때에 고온도에 의한 프로세스가 되는 경우가 있다. 또, 보호막 또는 절연막은, 성막 직후에는 불순물 가스를 함유하고 있는 경우가 많아, 가열 처리 (어닐 처리) 를 실시하는 것이 바람직하다. 가열 처리로 불순물 가스를 제거함으로써, 안정적인 보호막 또는 절연막이 되고, 내구성이 높은 TFT 소자를 형성하기 쉬워진다.
본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막을 사용함으로써, CVD 프로세스에 있어서의 온도의 영향, 및 그 후의 가열 처리에 의한 영향을 받기 어려워지기 때문에, 보호막 또는 절연막을 형성한 경우라도, TFT 특성의 안정성을 향상시킬 수 있다.
트랜지스터 특성에 있어서, On/Off 특성은 디스플레이의 표시 성능을 결정하는 요소이다. 액정의 스위칭으로서 박막 트랜지스터를 사용하는 경우에는, On/Off 비는 6 자릿수 이상인 것이 바람직하다. OLED 의 경우에는 전류 구동을 위해 On 전류가 중요하지만, On/Off 비에 관해서는 동일하게 6 자릿수 이상인 것이 바람직하다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, On/Off 비가 1 × 106 이상인 것이 바람직하다.
On/Off 비는, Vg ＝ -10 V 의 Id 의 값을 Off 전류치로 하고, Vg ＝ 20 V 의 Id 의 값을 On 전류치로 하여, 비 [On 전류치/Off 전류치] 를 결정함으로써 구해진다.
또, 본 실시형태에 관련된 TFT 의 이동도는, 5 ㎠/Vs 이상인 것이 바람직하고, 10 ㎠/Vs 이상인 것이 바람직하다.
포화 이동도는, 드레인 전압을 20 V 인가한 경우의 전달 특성으로부터 구해진다. 구체적으로, 전달 특성 Id-Vg 의 그래프를 작성하고, 각 Vg 의 트랜스 컨덕턴스 (Gm) 를 산출하고, 포화 영역의 식에 의해 포화 이동도를 구함으로써, 산출할 수 있다. Id 는 소스·드레인 전극 사이의 전류, Vg 는 소스·드레인 전극 사이에 전압 Vd 를 인가했을 때의 게이트 전압이다.
임계치 전압 (Vth) 은, -3.0 V 이상, 3.0 V 이하가 바람직하고, -2.0 V 이상, 2.0 V 이하가 보다 바람직하고, -1.0 V 이상, 1.0 V 이하가 더욱 바람직하다. 임계치 전압 (Vth) 이 -3.0 V 이상이면, 고이동도의 박막 트랜지스터가 얻어진다. 임계치 전압 (Vth) 이 3.0 V 이하이면, 오프 전류가 작고, 온오프비가 큰 박막 트랜지스터가 얻어진다.
임계치 전압 (Vth) 은, 전달 특성의 그래프로부터 Id ＝ 10-9 A 에서의 Vg 로 정의할 수 있다.
On/Off 비는 106 이상, 1012 이하가 바람직하고, 107 이상, 1011 이하가 보다 바람직하고, 108 이상, 1010 이하가 더욱 바람직하다. On/Off 비가 106 이상이면, 액정 디스플레이의 구동을 할 수 있다. On/Off 비가 1012 이하이면, 콘트라스트가 큰 유기 EL 의 구동을 할 수 있다. 또, On/Off 비가 1012 이하이면, 오프 전류를 10-11 A 이하로 할 수 있고, 박막 트랜지스터를 CMOS 이미지 센서의 전송 트랜지스터 또는 리셋 트랜지스터에 사용한 경우, 화상의 유지 시간을 길게 하거나, 감도를 향상시키거나 할 수 있다.
＜양자 터널 전계 효과 트랜지스터＞
본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막은, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (FET) 에 사용할 수도 있다.
도 4 에, 일 실시형태에 관련된, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (FET) 의 모식도 (종단면도) 를 나타낸다.
양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501) 는, p 형 반도체층 (503), n 형 반도체층 (507), 게이트 절연막 (509), 게이트 전극 (511), 소스 전극 (513), 및 드레인 전극 (515) 을 구비한다.
p 형 반도체층 (503), n 형 반도체층 (507), 게이트 절연막 (509), 및 게이트 전극 (511) 은, 이 순서로 적층되어 있다.
소스 전극 (513) 은 p 형 반도체층 (503) 상에 형성된다. 드레인 전극 (515) 은 n 형 반도체층 (507) 상에 형성된다.
p 형 반도체층 (503) 은, p 형의 IV 족 반도체층이고, 여기서는 p 형 실리콘층이다.
n 형 반도체층 (507) 은, 여기서는 상기 실시형태에 관련된 n 형의 산화물 반도체 박막이다. 소스 전극 (513) 및 드레인 전극 (515) 은 도전막이다.
도 4 에서는 도시하고 있지 않지만, p 형 반도체층 (503) 상에는 절연층이 형성되어도 된다. 이 경우, p 형 반도체층 (503) 과 n 형 반도체층 (507) 은, 절연층을 부분적으로 개구한 영역인 컨택트 홀을 개재하여 접속되어 있다. 도 4 에서는 도시하고 있지 않지만, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501) 는, 그 상면을 덮는 층간 절연막을 구비해도 된다.
양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501) 는, p 형 반도체층 (503) 과 n 형 반도체층 (507) 에 의해 형성된 에너지 장벽을 터널링하는 전류를, 게이트 전극 (511) 의 전압에 의해 제어하는, 전류의 스위칭을 실시하는 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (FET) 이다. 이 구조에서는, n 형 반도체층 (507) 을 구성하는 산화물 반도체의 밴드 갭이 커지고, 오프 전류를 작게 할 수 있다.
도 5 에, 다른 실시형태에 관련된 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501A) 의 모식도 (종단면도) 를 나타낸다.
양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501A) 의 구성은, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501) 와 마찬가지지만, p 형 반도체층 (503) 과 n 형 반도체층 (507) 사이에 산화실리콘층 (505) 이 형성되어 있는 점이 상이하다. 산화실리콘층이 있음으로써, 오프 전류를 작게 할 수 있다.
산화실리콘층 (505) 의 두께는, 10 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 10 ㎚ 이하로 함으로써, 터널 전류가 흐르지 않거나, 형성되는 에너지 장벽이 형성되기 어렵거나 장벽 높이가 변화되거나 하는 것을 방지할 수 있고, 터널링 전류가 저하되거나 변화되거나 하는 것을 방지할 수 있다. 산화실리콘층 (505) 의 두께는, 바람직하게는 8 ㎚ 이하, 보다 바람직하게는 5 ㎚ 이하, 더욱 바람직하게는 3 ㎚ 이하, 더욱더 바람직하게는 1 ㎚ 이하이다.
도 6 에 p 형 반도체층 (503) 과 n 형 반도체층 (507) 사이에 산화실리콘층 (505) 이 형성된 부분의 TEM 사진을 나타낸다.
양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501 및 501A) 에 있어서도, n 형 반도체층 (507) 은 n 형 산화물 반도체이다.
n 형 반도체층 (507) 을 구성하는 산화물 반도체는, 비정질이어도 된다. n 형 반도체층 (507) 을 구성하는 산화물 반도체가 비정질임으로써, 옥살산 등의 유기산으로 에칭 가능해지고, 다른 층과의 에칭 속도의 차가 커지고, 배선 등의 금속층에 대한 영향도 없어, 양호하게 에칭할 수 있다.
n 형 반도체층 (507) 을 구성하는 산화물 반도체는, 결정질이어도 된다. 결정질임으로써, 비정질의 경우보다 밴드 갭이 커지고, 오프 전류를 작게 할 수 있다. 일 함수도 크게 할 수 있는 점에서, p 형의 IV 족 반도체 재료와 n 형 반도체층 (507) 에 의해 형성되는 에너지 장벽을 터널링하는 전류를 제어하기 쉬워진다.
양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501) 의 제조 방법은, 특별히 한정하지 않지만, 이하의 방법을 예시할 수 있다.
먼저, 도 7A 에 나타내는 바와 같이, p 형 반도체층 (503) 상에 절연막 (505A) 을 형성하고, 절연막 (505A) 의 일부를 에칭 등으로 개구하여 컨택트 홀 (505B) 을 형성한다.
다음으로, 도 7B 에 나타내는 바와 같이, p 형 반도체층 (503) 및 절연막 (505A) 상에 n 형 반도체층 (507) 을 형성한다. 이 때, 컨택트 홀 (505B) 을 개재하여 p 형 반도체층 (503) 과 n 형 반도체층 (507) 을 접속한다.
다음으로, 도 7C 에 나타내는 바와 같이, n 형 반도체층 (507) 상에, 게이트 절연막 (509) 및 게이트 전극 (511) 을 이 순서로 형성한다.
다음으로, 도 7D 에 나타내는 바와 같이, 절연막 (505A), n 형 반도체층 (507), 게이트 절연막 (509) 및 게이트 전극 (511) 을 덮도록, 층간 절연막 (519) 을 형성한다.
다음으로, 도 7E 에 나타내는 바와 같이, p 형 반도체층 (503) 상의 절연막 (505A) 및 층간 절연막 (519) 의 일부를 개구하여 컨택트 홀 (519A) 을 형성하고, 컨택트 홀 (519A) 에 소스 전극 (513) 을 형성한다.
또한, 도 7E 에 나타내는 바와 같이, n 형 반도체층 (507) 상의 게이트 절연막 (509) 및 층간 절연막 (519) 의 일부를 개구하여 컨택트 홀 (519B) 을 형성하고, 컨택트 홀 (519B) 에 드레인 전극 (515) 을 형성한다.
이상의 순서로 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501) 를 제조할 수 있다.
또한, p 형 반도체층 (503) 상에 n 형 반도체층 (507) 을 형성한 후에, 150 ℃ 이상, 600 ℃ 이하의 온도에서 열 처리를 실시함으로써, p 형 반도체층 (503) 과 n 형 반도체층 (507) 사이에 산화실리콘층 (505) 을 형성할 수 있다. 이 공정을 추가함으로써, 양자 터널 전계 효과 트랜지스터 (501A) 를 제조할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 채널 도프형 박막 트랜지스터인 것이 바람직하다. 채널 도프형 트랜지스터란, 채널의 캐리어를, 분위기 및 온도 등 외계의 자극에 대하여 변동하기 쉬운 산소 결손이 아니라, n 형 도핑에 의해 적절히 제어한 트랜지스터이고, 고이동도와 고신뢰성을 양립시키는 효과가 얻어진다.
＜박막 트랜지스터의 용도＞
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 전계 효과형 트랜지스터, 논리 회로, 메모리 회로, 및 차동 증폭 회로 등의 각종 집적 회로에도 적용할 수 있고, 그것들을 전자 기기 등에 적용할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 전계 효과형 트랜지스터 이외에도 정전 야기형 트랜지스터, 쇼트키 장벽형 트랜지스터, 쇼트키 다이오드, 및 저항 소자에도 적응할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는, 표시 장치 및 고체 촬상 소자 등에 바람직하게 사용할 수 있다.
이하, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 표시 장치 및 고체 촬상 소자에 사용하는 경우에 대하여 설명한다.
먼저, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 표시 장치에 사용하는 경우에 대하여, 도 8 을 참조하여 설명한다.
도 8A 는, 본 실시형태에 관련된 표시 장치의 상면도이다. 도 8B 는, 본 실시형태에 관련된 표시 장치의 화소부에, 액정 소자를 적용하는 경우의 화소부의 회로를 설명하기 위한 회로도이다. 또, 도 8B 는, 본 실시형태에 관련된 표시 장치의 화소부에, 유기 EL 소자를 적용하는 경우의 화소부의 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
화소부에 배치하는 트랜지스터는, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 사용할 수 있다. 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터는 n 채널형으로 하는 것이 용이하기 때문에, n 채널형 트랜지스터로 구성할 수 있는 구동 회로의 일부를, 화소부의 트랜지스터와 동일 기판 상에 형성한다. 화소부나 구동 회로에 본 실시형태에 나타내는 박막 트랜지스터를 사용함으로써, 신뢰성이 높은 표시 장치를 제공할 수 있다.
액티브 매트릭스형 표시 장치의 상면도의 일례를 도 8A 에 나타낸다. 표시 장치의 기판 (300) 상에는, 화소부 (301), 제 1 주사선 구동 회로 (302), 제 2 주사선 구동 회로 (303), 및 신호선 구동 회로 (304) 가 형성된다. 화소부 (301) 에는, 복수의 신호선이 신호선 구동 회로 (304) 로부터 연신하여 배치되고, 복수의 주사선이 제 1 주사선 구동 회로 (302), 및 제 2 주사선 구동 회로 (303) 로부터 연신하여 배치된다. 주사선과 신호선의 교차 영역에는, 각각, 표시 소자를 갖는 화소가 매트릭스상으로 형성된다. 표시 장치의 기판 (300) 은, FPC (Flexible Printed Circuit) 등의 접속부를 개재하여, 타이밍 제어 회로 (컨트롤러, 제어 IC 라고도 한다) 에 접속된다.
도 8A 에서는, 제 1 주사선 구동 회로 (302), 제 2 주사선 구동 회로 (303), 신호선 구동 회로 (304) 는, 화소부 (301) 와 동일한 기판 (300) 상에 형성된다. 그 때문에, 외부에 형성하는 구동 회로 등의 부품의 수가 감소하기 때문에, 비용의 저감을 도모할 수 있다. 또, 기판 (300) 외부에 구동 회로를 형성한 경우, 배선을 연신시킬 필요가 생기고, 배선 간의 접속수가 증가한다. 동일한 기판 (300) 상에 구동 회로를 형성한 경우, 그 배선 간의 접속수를 감소시킬 수 있고, 신뢰성의 향상, 또는 수율의 향상을 도모할 수 있다.
또, 화소의 회로 구성의 일례를 도 8B 에 나타낸다. 여기서는, VA 형 액정 표시 장치의 화소부에 적용할 수 있는 화소부의 회로를 나타낸다.
이 화소부의 회로는, 하나의 화소에 복수의 화소 전극을 갖는 구성에 적용할 수 있다. 각각의 화소 전극은 상이한 트랜지스터에 접속되고, 각 트랜지스터는 상이한 게이트 신호로 구동할 수 있도록 구성되어 있다. 이로써, 멀티 도메인 설계된 화소의 개개의 화소 전극에 인가하는 신호를, 독립적으로 제어할 수 있다.
트랜지스터 (316) 의 게이트 배선 (312) 과, 트랜지스터 (317) 의 게이트 배선 (313) 에는, 상이한 게이트 신호가 부여되도록 분리되어 있다. 한편, 데이터선으로서 기능하는 소스 전극 또는 드레인 전극 (314) 은, 트랜지스터 (316) 와 트랜지스터 (317) 에서 공통으로 사용된다. 트랜지스터 (316) 와 트랜지스터 (317) 는, 본 실시형태에 관련된 트랜지스터를 사용할 수 있다. 이로써, 신뢰성이 높은 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.
트랜지스터 (316) 에는, 제 1 화소 전극이 전기적으로 접속되고, 트랜지스터 (317) 에는, 제 2 화소 전극이 전기적으로 접속된다. 제 1 화소 전극과 제 2 화소 전극은 분리되어 있다. 제 1 화소 전극과 제 2 화소 전극의 형상은, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제 1 화소 전극은, V 자상으로 하면 된다.
트랜지스터 (316) 의 게이트 전극은 게이트 배선 (312) 과 접속되고, 트랜지스터 (317) 의 게이트 전극은 게이트 배선 (313) 과 접속되어 있다. 게이트 배선 (312) 과 게이트 배선 (313) 에 상이한 게이트 신호를 부여하여, 트랜지스터 (316) 와 트랜지스터 (317) 의 동작 타이밍을 상이하게 하고, 액정의 배향을 제어할 수 있다.
또, 용량 배선 (310) 과, 유전체로서 기능하는 게이트 절연막과, 제 1 화소 전극 또는 제 2 화소 전극과 전기적으로 접속하는 용량 전극으로, 유지 용량을 형성해도 된다.
멀티 도메인 구조는, 1 화소에 제 1 액정 소자 (318) 와 제 2 액정 소자 (319) 를 구비한다. 제 1 액정 소자 (318) 는 제 1 화소 전극과 대향 전극과 그 사이의 액정층으로 구성되고, 제 2 액정 소자 (319) 는 제 2 화소 전극과 대향 전극과 그 사이의 액정층으로 구성된다.
화소부는, 도 8B 에 나타내는 구성에 한정되지 않는다. 도 8B 에 나타내는 화소부에 스위치, 저항 소자, 용량 소자, 트랜지스터, 센서, 또는 논리 회로를 추가해도 된다.
화소의 회로 구성의 다른 일례를 도 8C 에 나타낸다. 여기서는, 유기 EL 소자를 사용한 표시 장치의 화소부의 구조를 나타낸다.
도 8C 는, 적용 가능한 화소부 (320) 의 회로의 일례를 나타내는 도면이다. 여기서는 n 채널형의 트랜지스터를 1 개의 화소에 2 개 사용하는 예를 나타낸다. 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막은, n 채널형의 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용할 수 있다. 당해 화소부의 회로는, 디지털 시간 계조 구동을 적용할 수 있다.
스위칭용 트랜지스터 (321) 및 구동용 트랜지스터 (322) 에는, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 사용할 수 있다. 이로써, 신뢰성이 높은 유기 EL 표시 장치를 제공할 수 있다.
화소부의 회로의 구성은, 도 8C 에 나타내는 구성에 한정되지 않는다. 도 8C 에 나타내는 화소부의 회로에 스위치, 저항 소자, 용량 소자, 센서, 트랜지스터 또는 논리 회로를 추가해도 된다.
이상이 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 표시 장치에 사용하는 경우의 설명이다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 고체 촬상 소자에 사용하는 경우에 대하여, 도 9 를 참조하여 설명한다.
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는, 신호 전하 축적부에 전위를 유지하고, 그 전위를, 증폭 트랜지스터를 개재하여, 수직 출력선에 출력하는 고체 촬상 소자이다. CMOS 이미지 센서에 포함되는 리셋 트랜지스터, 및/또는 전송 트랜지스터에 리크 전류가 있으면, 그 리크 전류에 의해 충전 또는 방전이 일어나고, 신호 전하 축적부의 전위가 변화한다. 신호 전하 축적부의 전위가 변화하면, 증폭 트랜지스터의 전위도 변하여, 본래의 전위로부터 어긋난 값이 되고, 촬상된 영상이 열화된다.
본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 CMOS 이미지 센서의 리셋 트랜지스터, 및 전송 트랜지스터에 적용한 경우의 동작의 효과를 설명한다. 증폭 트랜지스터는, 박막 트랜지스터 또는 벌크 트랜지스터의 어느 쪽을 적용해도 된다.
도 9 는, CMOS 이미지 센서의 화소 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 화소는 광전 변환 소자인 포토다이오드 (3002), 전송 트랜지스터 (3004), 리셋 트랜지스터 (3006), 증폭 트랜지스터 (3008) 및 각종 배선으로 구성되어 있고, 매트릭스상으로 복수의 화소가 배치되어 센서를 구성한다. 증폭 트랜지스터 (3008) 와 전기적으로 접속되는 선택 트랜지스터를 형성해도 된다. 트랜지스터 기호에 기재되어 있는 「OS」는 산화물 반도체 (Oxide Semiconductor) 를, 「Si」는 실리콘을 나타내고 있고, 각각의 트랜지스터에 적용하면 바람직한 재료를 나타내고 있다. 이후의 도면에 대해서도 동일하다.
포토다이오드 (3002) 는, 전송 트랜지스터 (3004) 의 소스측에 접속되어 있고, 전송 트랜지스터 (3004) 의 드레인측에는 신호 전하 축적부 (3010) (FD : 플로팅 디퓨전이라고도 한다) 가 형성된다. 신호 전하 축적부 (3010) 에는 리셋 트랜지스터 (3006) 의 소스, 및 증폭 트랜지스터 (3008) 의 게이트가 접속되어 있다. 다른 구성으로서, 리셋 전원선 (3110) 을 삭제할 수도 있다. 예를 들어, 리셋 트랜지스터 (3006) 의 드레인을 리셋 전원선 (3110) 이 아니라, 전원선 (3100) 또는 수직 출력선 (3120) 에 연결하는 방법이 있다.
그리고 또한, 포토다이오드 (3002) 에 본 실시형태에 관련된 산화물 반도체 박막을 사용해도 되고, 전송 트랜지스터 (3004), 리셋 트랜지스터 (3006) 에 사용되는 산화물 반도체 박막과 동일한 재료를 사용해도 된다.
이상이, 본 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터를 고체 촬상 소자에 사용하는 경우의 설명이다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 실시예에 한정되지 않는다.
X 원소를 함유시킨 ITZO 계 산화물 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타깃을 제작하였다. X 원소를 함유시킨 ITZO 계 산화물 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타깃의 특성과, X 원소를 함유시키지 않는 ITZO 계 산화물 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타깃의 특성을 비교하였다. 구체적인 순서는 이하와 같다.
먼저, 원료로서 표 1 에 나타내는 원자비가 되도록, 이하의 분말을 칭량하였다.
·In 원료 : 순도 99.99 질량％ 의 산화인듐 분말
·Sn 원료 : 순도 99.99 질량％ 의 산화주석 분말
·Zn 원료 : 순도 99.99 질량％ 의 산화아연 분말
·X 원소 : 순도 99.9 질량％ 의 산화알루미늄 (Al2O3), 순도 99.9 질량％ 의 산화게르마늄 (GeO2), 순도 99.9 질량％ 의 산화규소 (SiO2), 순도 99.9 질량％ 의 산화이트륨 (Y2O3), 순도 99.9 질량％ 의 산화지르코늄 (ZrO2), 순도 99.9 질량％ 의 산화마그네슘 (MgO), 순도 99.9 질량％ 의 산화이테르븀 (Yb2O)
Figure 112020015586876-pct00001
다음으로, 이들 원료에 성형용 바인더로서 폴리비닐알코올을 첨가하고, 습식 볼 밀로 72 시간, 혼합 및 조립하였다.
다음으로, 이 조립물을 내경 120 ㎜ × 120 ㎜ × 7 ㎜ 의 금형에 균일하게 충전하고, 콜드 프레스기로 가압 성형한 후, 냉간 등방압 가압 장치 (CIP) 로 196 ㎫ 의 압력으로 성형하였다. 이와 같이 하여 얻은 성형체를, 소결로에서 산소 분위기하에서 780 ℃ 까지 승온 후, 780 ℃ 에서 5 시간 유지, 추가로 1400 ℃ 까지 승온하고, 이 온도 (1400 ℃) 에서 20 시간 유지하고, 그 후, 노랭 (爐冷) 하여 산화물 소결체를 얻었다. 또한, 승온 속도는 2 ℃/분으로 실시하였다.
얻어진 산화물 소결체를 절삭 가공하고, 표면 연마하고, X 선 회절 측정 장치 (XRD) 에 의해 결정 구조를 조사하였다. 그 결과, 시료 번호 1 ∼ 17, 19, 20, 22, 23, 24, 27 에 대해서는, In2O3(ZnO)m (식 중, m ＝ 2 ∼ 7 의 정수) 으로 나타내는 육방정 층상 화합물 및, Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 화합물이 존재하는 것을 확인하였다. 시료 번호 18, 21 에 대해서는, Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 화합물의 단일상이었다. 시료 번호 25, 26 에 대해서는, 빅스바이트 구조 화합물, 및 Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 화합물이 존재하는 것을 확인하였다. XRD 의 측정 조건은 이하와 같다.
·장치 : (주) 리가쿠 제조 Smartlab
·X 선 : Cu-Kα 선 (파장 1.5418 × 10-10 m)
·평행 빔, 2θ-θ 반사법, 연속 스캔 (2.0°/분)
·샘플링 간격 : 0.02°
·발산 슬릿 (Divergence Slit, DS) : 1.0 ㎜
·산란 슬릿 (Scattering Slit, SS) : 1.0 ㎜
·수광 슬릿 (Receiving Slit, RS) : 1.0 ㎜
또한, 얻어진 산화물 소결체에 대하여 이하의 특성을 측정하였다.
(1) 평균 항절력
얻어진 산화물 소결체로부터, 두께 3 ㎜ × 폭 4 ㎜ × 전체 길이 36 ㎜, 단면이 장방형인 각기둥의 시험편을 30 개 잘라내고, JIS R 1601 : 2008 에 기초하여, 재료 시험기 (시마즈 제작소 제조 EZ Graph) 로 3 점 굽힘 강도를 측정하고, 시험편 30 개의 3 점 굽힘 강도 측정치의 평균치를 평균 항절력으로 하였다.
(2) 상대 밀도
산화물 소결체의 상대 밀도를 아르키메데스법에 기초하여 측정하였다. 구체적으로는, 산화물 소결체의 공중 중량을, 체적 (＝ 소결체의 수중 중량/계측 온도에 있어서의 물 비중) 으로 나누고, 하기 식 (5) 에 기초하는 이론 밀도 ρ (g/㎤) 에 대한 백분율의 값을 상대 밀도 (단위 : ％) 로 하였다.
상대 밀도 ＝ {(산화물 소결체의 공중 중량/체적)/이론 밀도 ρ} × 100
ρ ＝ (C1/100/ρ1 ＋ C2/100/ρ2 ··· ＋ Cn/100/ρn)-1 ··· (5)
또한, 식 (5) 중에서, C1 ∼ Cn 은 각각 산화물 소결체 또는 산화물 소결체의 구성 물질의 함유량 (질량％) 을 나타내고, ρ1 ∼ ρn 은 C1 ∼ Cn 에 대응하는 각 구성 물질의 밀도 (g/㎤) 를 나타낸다.
또한, 각 구성 물질의 밀도는, 밀도와 비중은 거의 동등한 점에서, 화학 편람 기초편 I 일본 화학편 개정 2 판 (마루젠 주식회사) 에 기재되어 있는 산화물의 비중의 값을 사용하였다.
(3) 벌크 저항치 (mΩ㎝)
스퍼터링 타깃의 도전성을 나타내는 지표로서, 벌크 저항치를 저항률계 (미츠비시 화학 (주) 제조, 제품명 로레스타 GP MCP-T610) 를 사용하여 4 탐침법 (JIS R 1637 : 1998) 에 기초하여 측정하였다. 시료의 두께를 5 ㎜ 로 하고, 측정 지점은 9 개 지점으로 하고, 9 개 지점의 측정치의 평균치를 벌크 저항치로 하였다.
산화물 소결체의 평면 형상이 사각형이었기 때문에, 측정 지점은, 면을 등면적으로 9 분할하고, 각각의 사각형의 중심점 9 개 지점으로 하였다.
(4) 와이블 계수
평균 항절력의 와이블 계수는, JIS R 1625 : 2010 에 규정된 와이블 통계 해석법에 의해, 와이블 확률축 상에, 항절력을 플롯 (이하 「와이블 플롯」이라고 한다) 하고, 와이블 플롯의 기울기로부터 구하였다.
(5) 평균 결정 입경
육방정 층상 화합물의 평균 결정 입경, 스피넬 화합물의 평균 결정 입경, 빅스바이트 구조 화합물의 평균 결정 입경을 각각 구하고, 평균 결정 입경의 차의 절대치를 구하였다. 평균 결정 입경은, 전술한 실시형태 중에 기재한 방법과 동일하게 하여 측정하였다.
(6) 육방정 층상 화합물 입자의 확인
산화물 소결체가 육방정 층상 화합물의 입자를 포함하는 것은, SEM-EPMA 에 의해, 결정 입자가 In 원소와 Zn 원소를 포함하고 있는 것으로부터 판단하였다.
(7) 스피넬 화합물 입자의 확인
산화물 소결체가 스피넬 화합물의 입자를 포함하는 것은, SEM-EPMA 에 의해, 결정 입자가 Zn 원소와 Sn 원소를 포함하고 있는 것으로부터 판단하였다.
(8) 빅스바이트 구조의 확인
산화물 소결체가 빅스바이트 구조 화합물의 입자를 포함하는 것은, SEM-EPMA 에 의해, 결정 입자가, In 원소 및 산소 원자만을 포함하거나, 또는 In 원소, Sn 원소 및 산소 원자를 포함하지만 In 원소 및 Sn 원소의 원자％ 비 (In 원소 : Sn 원소) 로, In 원소가 90 원자％ 이상인 것으로부터 판단하였다.
이상의 결과를 표 2 에 나타낸다. 표 2 에 있어서, In : Sn : Zn ＝ 30 : 15 : 55 (원자％) 에 있어서의, 평균 항절력, 상대 밀도, 벌크 저항, 와이블 계수, 및 평균 결정 입경과, Al 함유량, 또는 Si 함유량과의 관계 (시료 번호 1 ∼ 5, 8 ∼ 12, 19) 를 도 10 ∼ 도 14 에 나타낸다. X 원소로서, Al, Si, G, Si, Y, Mg, 및 Yb 중 어느 1 종을 0.1 원자％ 함유시킨 경우 (시료 번호 1, 8, 13 ∼ 17), 및 X 원소를 함유시키지 않은 경우 (시료 번호 19) 의 비교를 도 15 에 나타낸다.
Figure 112020015586876-pct00002
표 2 에 나타내는 바와 같이, X 원소를 함유하는 시료 (시료 번호 1 ∼ 18, 22 ∼ 27) 는, 함유하지 않는 시료 (시료 번호 19, 20, 21) 와 비교하여, 평균 항절력, 및 와이블 계수가 크고, 평균 결정 입경이 작았다.
벌크 저항은, X 원소를 함유하는 시료 (시료 번호 1 ∼ 18, 22 ∼ 27) 와, 함유하지 않는 시료 (시료 번호 19, 20, 21) 에서 동일한 정도였거나, X 원소를 함유하는 시료 (시료 번호 1 ∼ 18, 22 ∼ 27) 쪽이 약간 작았다.
상대 밀도는, X 원소를 함유하는 시료 (시료 번호 1 ∼ 18, 22 ∼ 27) 와, 함유하지 않는 시료 (시료 번호 19, 20, 21) 에서 동일한 정도였다.
구체적으로는, X 원소를 함유하는 시료 (시료 번호 1 ∼ 18, 22 ∼ 27) 는, 평균 항절력이 150 ㎫ 이상, 벌크 저항이 2.69 mΩ㎝ 이하, 와이블 계수가 7 이상, 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하였다.
X 원소를 함유하는 시료 (시료 번호 1 ∼ 17, 22 ∼ 24) 에 있어서는, 육방정 층상 화합물의 평균 결정 입경과 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하였다. 또, X 원소를 함유하는 시료 (시료 번호 25, 26) 에 있어서는, 빅스바이트 구조 화합물의 평균 결정 입경과 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하였다. X 원소를 함유하지 않는 시료 (시료 번호 19, 20) 에 있어서는, 육방정 층상 화합물의 평균 결정 입경과 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 초과였다. 이 결과로부터, X 원소를 함유시킴으로써, 평균 항절력, 및 와이블 계수가 크고, 벌크 저항, 상대 밀도, 및 평균 결정 입경이 바람직한 범위에 있는 산화물 소결체가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
도 10 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Al 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Al 함유량이 증가하면 평균 항절력도 커졌지만, 함유량이 0.5 원자％ 를 초과하면 평균 항절력의 상승이 완만하게 되었다.
또, 도 10 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Si 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Si 함유량이 증가하면 평균 항절력도 커졌다. X 원소의 함유량이 동일한 시료로 비교하면, Al 을 함유시킨 시료 쪽이, Si 를 함유시킨 시료보다, 평균 항절력은 커졌다.
도 11 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Al 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Al 함유량이 증가하면 상대 밀도도 커졌지만, 0.5 원자％ 를 초과하면 밀도의 상승 효과가 포화하였다.
또, 도 11 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Si 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Si 함유량이 증가하면 상대 밀도도 커졌지만, 0.1 원자％ 를 초과하면 밀도의 상승 효과가 포화하였다.
도 12 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Al 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Al 함유량이 증가하면, 벌크 저항이 작아졌다.
또, 도 12 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Si 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Si 함유량이 증가하면, 1 원자％ 까지는 벌크 저항이 작아졌지만, 3 원자％ 를 초과하면 약간 커졌다.
도 13 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Al 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Al 함유량이 증가하면 와이블 계수는 상승했지만, Al 함유량이 3 원자％ 를 초과하면, 상승 효과가 포화하였다.
또, 도 13 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Si 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Si 함유량이 증가하면 와이블 계수는 상승했지만, Si 함유량이 3 원자％ 를 초과하면, 상승 효과가 포화하였다.
도 14 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Al 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Al 함유량이 증가하면 평균 결정 입경은 작아졌다.
또, 도 14 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, 및 Zn 함유량이 일정하고, X 원소로서의 Si 원소의 함유량이 상이한 복수의 시료로 비교하면, Si 함유량이 증가하면 평균 결정 입경은 작아졌다.
Al 을 함유시킨 시료 및 Si 를 함유시킨 시료는, 평균 결정 입경이 동일한 정도였다.
도 15 에 나타내는 바와 같이, In, Sn, Zn, 및 X 원소의 함유량이 일정하고, X 원소의 종류가 상이한 복수의 시료 및 X 원소를 함유하지 않는 시료로 비교하면, X 원소를 함유시키지 않은 시료에 비하여, X 원소를 함유시킨 시료 쪽이, 평균 항절력이 커졌다.
[박막 트랜지스터의 제조]
이하의 공정으로 박막 트랜지스터를 제조하였다.
(1) 성막 공정
각 시료 번호에 관련된 산화물 소결체를 연삭 연마하고, 4 인치φ × 5 mmt 의 스퍼터링 타깃을 제조하였다. 구체적으로는, 절삭 연마한 소결체를 배킹 플레이트에 본딩함으로써 제작하였다. 모든 타깃에 있어서, 본딩률은, 98 ％ 이상이었다. 산화물 소결체의 배킹 플레이트에 대한 본딩시에 산화물 소결체에 크랙은 발생하지 않고, 스퍼터링 타깃을 양호하게 제조할 수 있었다. 본딩률 (접합률) 은, X 선 CT 에 의해 확인하였다.
제작한 스퍼터링 타깃을 사용하여, 스퍼터링에 의해, 표 3 에 나타내는 성막 조건에서 열산화막 (게이트 절연막) 부착의 실리콘 웨이퍼 (20) (게이트 전극) 상에, 메탈 마스크를 개재하여 50 ㎚ 의 박막 (산화물 반도체층) 을 형성하였다. 이 때, 스퍼터 가스로서 고순도 아르곤 및 고순도 산소 20 ％ 의 혼합 가스를 사용하여 스퍼터링을 실시하였다. 이 때, 스퍼터링 타깃에 크랙은 발생하지 않았다.
(2) 소스·드레인 전극의 형성
다음으로, 소스·드레인의 컨택트 홀 형상의 메탈 마스크를 사용하여 티탄 금속을 스퍼터링하고, 소스·드레인 전극으로서 티탄 전극을 성막하였다. 채널부의 L/W 는, 200 ㎛/1000 ㎛ 로 하였다. 얻어진 적층체를 대기중에서 350 ℃ 에서 60 분간 가열 처리하고, 보호 절연막 형성 전의 박막 트랜지스터를 제조하였다.
Figure 112020015586876-pct00003
제조한 박막 트랜지스터 (TFT 번호 : A1 ∼ A27) 에 대하여 하기 평가를 실시하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.
(반도체막의 결정 특성)
실리콘 웨이퍼 상에 성막한 산화물 반도체막에 대하여, 스퍼터 후 (막 퇴적 직후) 의 가열하지 않은 막 및 성막 후의 가열 처리를 한 후의 막의 결정성을 X 선 회절 (XRD) 측정에 의해 평가한 결과, 가열 전은 아모르퍼스이고, 가열 후도 아모르퍼스였다.
＜TFT 의 특성 평가＞
포화 이동도, S 값 및 임계치 전압의 평가를 실시하였다. 결과를 표 4 의 「가열 처리 후 SiO2 막 형성 전의 TFT 의 특성」에 나타낸다.
포화 이동도는, 드레인 전압에 20 V 인가한 경우의 전달 특성으로부터 구하였다. 구체적으로, 전달 특성 Id-Vg 의 그래프를 작성하고, 각 Vg 의 트랜스 컨덕턴스 (Gm) 를 산출하고, 선형 영역의 식에 의해 포화 이동도를 도출하였다. 또한, Gm 은 ∂(Id)/∂(Vg) 에 의해 나타내고, Vg 는 -15 V ∼ 25 V 까지 인가하고, 그 범위에서의 최대 이동도를 포화 이동도로 정의하였다. 본 발명에 있어서 특별히 언급하지 않는 한, 포화 이동도는 이 방법으로 평가하였다. 상기 Id 는 소스·드레인 전극 사이의 전류, Vg 는 소스·드레인 전극 사이에 전압 Vd 를 인가했을 때의 게이트 전압이다.
S 값은, 드레인 전류가 10 pA 로부터 100 pA 로 될 때의 게이트 전압차이다.
임계치 전압 (Vth) 은, 전달 특성의 그래프로부터 Id ＝ 10-9 A 에서의 Vg 로 정의하였다.
또, 얻어진 TFT 샘플의 산화물 반도체층에 대하여 유도 플라즈마 발광 분광 분석 장치 (ICP-AES, 시마즈 제작소사 제조) 로 분석한 결과, 얻어진 산화물 반도체 박막의 원자비가 산화물 반도체 박막의 제조에 사용한 산화물 소결체의 원자비와 동일한 것을 확인하였다.
Figure 112020015586876-pct00004
표 4 로부터, 인듐에 대한 X 원소의 첨가량이 증가함에 따라 이동도가 저하되고, 또, Vth 가 플러스측으로 시프트하는 것을 알 수 있었다.
산업 이용가능성
본 발명의 스퍼터링 타깃은, 액정 디스플레이 또는 유기 EL 디스플레이 등의 표시 장치를 구동하는, 박막 트랜지스터의 산화물 반도체층을 형성하기 위해 사용할 수 있다. 또, 본 발명의 스퍼터링 타깃을 사용하여, 수광 소자, 표시 소자, 터치 패널에 있어서의 전극, 또는 방담용 (防曇用) 투명 발열체 등에 사용되는 투명 도전막을 제조할 수 있다.
1 : 산화물 소결체
3 : 배킹 플레이트
20 : 실리콘 웨이퍼
30 : 게이트 절연막
40 : 산화물 반도체 박막
50 : 소스 전극
60 : 드레인 전극
70 : 층간 절연막
70A : 층간 절연막
70B : 층간 절연막
100 : 박막 트랜지스터
100A : 박막 트랜지스터
300 : 기판
301 : 화소부
302 : 제 1 주사선 구동 회로
303 : 제 2 주사선 구동 회로
304 : 신호선 구동 회로
310 : 용량 배선
312 : 게이트 배선
313 : 게이트 배선
314 : 드레인 전극
316 : 트랜지스터
317 : 트랜지스터
318 : 제 1 액정 소자
319 : 제 2 액정 소자
320 : 화소부
321 : 스위칭용 트랜지스터
322 : 구동용 트랜지스터
3002 : 포토다이오드
3004 : 전송 트랜지스터
3006 : 리셋 트랜지스터
3008 : 증폭 트랜지스터
3010 : 신호 전하 축적부
3100 : 전원선
3110 : 리셋 전원선
3120 : 수직 출력선

Claims (14)

  1. 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소, 및 산소를 함유하고, 각 원소의 원자비가 하기 식 (1) 을 만족하고, 추가로 Zn2SnO4 로 나타내는 스피넬 구조 화합물을 포함하는, 산화물 소결체를 구비하는, 스퍼터링 타깃.
    0.005 ≤ X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) < 0.01 ··· (1)
    (식 (1) 중, In, Zn, Sn 및 X 는, 각각 산화물 소결체 중의 인듐 원소, 아연 원소, 주석 원소 및 X 원소의 함유량을 나타낸다. X 원소는, Ge, Si, Al, Mg, Yb, 및 Ga 로부터 적어도 1 종 이상이 선택된다.)
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가로 상기 산화물 소결체가, 하기 식 (2) 를 만족하는, 스퍼터링 타깃.
    0.40 ≤ Zn/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.80 ··· (2)
  3. 제 1 항에 있어서,
    추가로 상기 산화물 소결체가, 하기 식 (3) 을 만족하는, 스퍼터링 타깃.
    0.15 ≤ Sn/(Sn ＋ Zn) ≤ 0.40 ··· (3)
  4. 제 1 항에 있어서,
    추가로 상기 산화물 소결체가, 하기 식 (4) 를 만족하는, 스퍼터링 타깃.
    0.10 ≤ In/(In ＋ Sn ＋ Zn) ≤ 0.35 ··· (4)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물 소결체는, In2O3(ZnO)m (m 은 2 ∼ 7 이다) 으로 나타내는 육방정 층상 화합물을 포함하는, 스퍼터링 타깃.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물 소결체는, 평균 항절력이 150 ㎫ 이상인, 스퍼터링 타깃.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물 소결체는, 평균 항절력의 와이블 계수가 7 이상인, 스퍼터링 타깃.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물 소결체는, 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하이고, 육방정 층상 화합물의 평균 결정 입경과, 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하인, 스퍼터링 타깃.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물 소결체는, 평균 결정 입경이 10 ㎛ 이하이고, 빅스바이트 구조 화합물의 평균 결정 입경과, 스피넬 화합물의 평균 결정 입경의 차가 1 ㎛ 이하인, 스퍼터링 타깃.
  10. 인듐 원소 (In), 주석 원소 (Sn), 아연 원소 (Zn), X 원소, 및 산소를 함유하고, 각 원소의 원자비가 하기 식 (1A) 를 만족하는, 산화물 반도체 박막.
    0.005 ≤ X/(In ＋ Sn ＋ Zn ＋ X) < 0.01 ··· (1A)
    (식 (1A) 중, In, Zn, Sn 및 X 는, 각각 산화물 반도체 박막 중의 인듐 원소, 아연 원소, 주석 원소 및 X 원소의 함유량을 나타낸다. X 원소는, Ge, Si, Al, Mg, Yb, 및 Ga 로부터 적어도 1 종 이상이 선택된다.)
  11. 제 10 항에 기재된 산화물 반도체 박막을 사용한, 박막 트랜지스터.
  12. 제 11 항에 기재된 박막 트랜지스터를 사용한, 전자 기기.
  13. 삭제
  14. 삭제
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